254 翅片管冷凝器设计示例-空气换热

254 翅片管冷凝器设计示例-空气换热

基础数据

空气流量m_A为1.234kg/s，进冷凝器温度T_AI为35℃，出冷凝器温度T_AO为43℃.

结构及参数选取.

图中，传热管采用正方形顺排排列。

翅片为铝制，整张平板套片，热导率R_AL=203W/(m.℃)；

δ_F为翅片厚度，取0.15mm；S_F为翅片节距，取2mm；L为沿空气流动方向的翅片宽度，试取100mm。

传热管为紫铜管，热导率R_CU=393W/(m.℃)；D_O为传热管外直径，取10mm；δ_G为管壁厚度，取0.5mm；S₁为垂直于空气流动方向的管间距，取25mm；S₂为沿空气流动方向的管间距，取25mm。

空气侧表面积计算

穿翅片后基管外直径为：

D_B=D_O+2δ_F=10+2*0.15=10.3mm

基管内直径为：

D_I=D_O-2δ_G=10-2*0.5=9.0mm

基管平均直径为：

D_M=D_O+D_I=(10+9)/2=9.5mm

每米管长翅片面积为：

A_F=2(S₁S₂-0.25*3.14*D_B²)/S_F

=2*(0.025*0.025-0.25*3.14*0.0103²)/0.002=0.5417m²/m

每米管长翅片间基管外表面积：

A_B=3.14D_B(S_F-δ_F)/ S_F

=3.14*0.0103*(0.002-0.00015)/0.002

=0.0299 m²/m

每米管长管外总表面积：

A_OF=A_F+A_B

=0.5417+0.0299=0.5716 m²/m

每米管长平均管径表面积：

A_M=3.14D_M

=3.14*0.0095=0.0298 m²/m

空气热物性

空气进出冷凝器平均温度T_A=(T_AI+T_AO)/2

=(35+43)/2=39℃

定压比热C_PA=1013J/(kg.℃)

热导率R_A=0.0264W/(m.℃)

运动黏度v_A=17.5*10^-6m²/s

密度D_A=1.1kg/ m³

空气侧换热系数

空气体积流量为：

V_A=m_A/D_A

=1.234/1.1=1.122m³/s

初取迎面风速为：
u₀=2.5m/s

空气流动最窄截面的当量直径为：

D_E=2(S₁-D_B)(S_F-δ_F)/( (S₁-D_B)+ (S_F-δ_F))

=2*(25-10.3)*(2-0.15)/((25-10.3)+(2-0.15))

=3.3mm=0.0033m

最窄截面处风速为：

u_F=u₀S₁S_F /(S₁-D_B)(S_F-δ_F)

=2.5*25*2/(25-10.3)*(2-0.15)

=4.6m/s

雷诺数为：

Re_F=u_FD_E/v_A

=4.6*0.0033/(17.5*10^-6)=867

沿空气流动方向翅片长度与当量直径之比为：

L/D_E=100/3.3=30.3

C₁=1.36-0.24Re_F/1000

=1.36-0.24*867/1000=1.152

C₂=0.49475-0.017395(L/D_E)+0.169*10^-3(L/D_E)²

=0.49475-0.017395*30.3+0.169*10^-3*30.3²

=0.1228

n=-0.28+0.08 Re_F/1000

=-0.28+0.08*867/1000

=-0.2106

m=0.45+0.0066(L/D_E)

=0.45+0.0066*30.3=0.6500

空气侧对流换热系数：

a_FA=C₁C₂(R_A/D_E)(L/D_E)ⁿRe_F^m

=1.152*0.1228*(0.0264/0.0033)*30.3^-0.2106*867^0.65

=1.152*0.1228*8*0.4875*81.23

=44.82W/(m².℃)

●研讨

调研典型翅片结构及管排方式时空气侧换热系数的计算方程？

空气中含有较多水蒸气或其他成分、翅片侧为非空气型气体介质时，如何计算气体与翅片侧的换热系数？

如何实际测取翅片管换热器空气侧的换热系数并整理经验方程？

如何基于实测数据和理论模型建立通用性较好的预测型空气侧换热系数方程？

如何用大型商业软件、计算传热学、分子动力学等方法模拟优化翅片管式冷凝器的结构？